Einführung in Polypropylen und seine Anwendungen
Polypropylen (PP) ist ein Polymer mit hohem Molekulargewicht, das durch die Polymerisation von Propylenmonomeren hergestellt wird. Je nach eingesetztem Polymerisationsverfahren lässt sich die PP-Produktion in fünf Hauptmethoden unterteilen: Lösungspolymerisation, Slurry-Polymerisation, Massepolymerisation, Gasphasenpolymerisation und kombinierte Masse-/Gasphasenpolymerisation. Entsprechend ihrer Molekülstruktur wird Polypropylen im Allgemeinen in drei Typen eingeteilt: isotaktisches Polypropylen, syndiotaktisches Polypropylen und ataktisches Polypropylen. Isotaktisches Polypropylen ist der am weitesten verbreitete Typ und macht mehr als 90 % des Gesamtverbrauchs aus. Ataktisches Polypropylen wird hauptsächlich in Additiven, Klebstoffen und modifizierten Materialien verwendet. Bei Verwendung als Träger für modifizierte Masterbatches bietet es eine hohe Viskosität, gute Fließfähigkeit und eine hervorragende Einkapselungsleistung.
Eigenschaften von Polypropylen
① Mechanische Eigenschaften
Im Vergleich zu Polyethylen bietet Polypropylen im Allgemeinen bessere mechanische Eigenschaften, darunter höhere Festigkeit, Steifigkeit und Härte sowie einen verbesserten Oberflächenglanz. Dennoch bleiben diese Eigenschaften im Vergleich zu denen anderer technischer Kunststoffe relativ moderat. Höhere Festigkeitsanforderungen können durch die Verwendung von hochkristallinem Polypropylen oder durch die Zugabe von Füllstoffen und Verstärkungsmaterialien erreicht werden.
Die Schlagfestigkeit von Polypropylen wird von Faktoren wie Molekulargewicht, Kristallinität und Kristallgröße beeinflusst und hängt zudem stark von der Temperatur ab. Seine Schlagzähigkeit nimmt bei niedrigeren Temperaturen tendenziell ab. Gleichzeitig weist Polypropylen eine hervorragende Biege- und Ermüdungsbeständigkeit auf. Bei Raumtemperatur können Polypropylenprodukte wiederholtem Biegen – bis zu etwa einer Million Zyklen – ohne Versagen standhalten.
② Elektrische Eigenschaften
Als unpolares Polymer besitzt Polypropylen hervorragende elektrische Isoliereigenschaften. Seine elektrischen Eigenschaften sind gegenüber Änderungen der Umgebungsfeuchte und der Frequenz des elektrischen Feldes relativ unempfindlich, sodass es wirksam als Dielektrikum und Isolierstoff eingesetzt werden kann, auch in Hochfrequenzanwendungen.
Polypropylen weist zudem eine hervorragende Lichtbogenbeständigkeit auf, mit einer Lichtbogenbeständigkeitszeit von etwa 130–180 Sekunden, was unter Kunststoffmaterialien als hoch gilt. Seine Neigung zur Kälteversprödung schränkt jedoch seine Verwendung in bestimmten Isolationsanwendungen im Vergleich zu Polyethylen und Polyvinylchlorid (PVC) ein. Es wird daher hauptsächlich für die Isolierung von Kommunikationskabeln und für Gehäuse von Elektrogeräten verwendet.
③ Thermische Eigenschaften
Polypropylen weist eine gute Wärmebeständigkeit auf und kann im Allgemeinen bei Temperaturen über 100 °C eingesetzt werden, wobei unter Leichtlastbedingungen etwa 120 °C erreicht werden. Seine maximale Dauereinsatztemperatur liegt bei etwa 120 °C, während seine Kurzzeiteinsatztemperatur etwa 150 °C erreichen kann.
Es bietet außerdem eine hervorragende Beständigkeit gegenüber kochendem Wasser und Dampf, wodurch es besonders für medizinische Produkte geeignet ist, die eine Hochdrucksterilisation erfordern. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,15–0,24 W/(m·K), die niedriger ist als die von Polyethylen, kann Polypropylen zudem eine wirksame Wärmedämmung bieten.
④ Chemische Beständigkeit
Polypropylen ist ein unpolareres, kristallines Polymer auf Alkanbasis mit guter Beständigkeit gegen chemische Korrosion. Bei Raumtemperatur ist es in Lösungsmitteln unlöslich, kann jedoch bei Kontakt mit bestimmten Lösungsmitteln quellen.
PP widersteht im Allgemeinen Säuren, Laugen, Salzen und den meisten organischen Lösungsmitteln, einschließlich Alkoholen, Phenolen, Aldehyden, Ketonen und den meisten Carbonsäuren. Es ist jedoch anfällig für starke Oxidationsmittel, konzentrierte Schwefelsäure und konzentrierte Salpetersäure. Außerdem weist es eine hervorragende Beständigkeit gegen Spannungsrissbildung unter Umwelteinfluss auf.
Aromatische Kohlenwasserstoffe und chlorierte Kohlenwasserstoffe können Polypropylen quellen lassen, wobei dieser Effekt mit steigender Temperatur deutlicher wird. Bei erhöhten Temperaturen kann sich Polypropylen in Lösungsmitteln wie Tetralin, Decalin und 1,2,4-Trichlorbenzol lösen.
⑤ Umwelteigenschaften
Polypropylen hat eine relativ schlechte Witterungsbeständigkeit. Die an seinen tertiären Kohlenstoffatomen gebundenen Wasserstoffatome sind oxidationsanfällig, wodurch PP besonders empfindlich gegenüber ultravioletter (UV-)Strahlung ist und bei längerer Exposition gegenüber Sauerstoff und UV-Licht zur Degradation neigt.
Ohne Stabilisierung kann Polypropylen nach nur vier Monaten Innenlagerung eine rasche Verschlechterung der Leistungseigenschaften erfahren. Es kann auch nach Hochtemperaturalterung bei 150 °C für etwa 0,5–3,0 Stunden oder nach etwa 12 Tagen atmosphärischer Exposition spröde werden.
Daher werden Polypropylenharzen im Allgemeinen Antioxidantien und Lichtstabilisatoren zugesetzt, um ihre Beständigkeit gegen Oxidation und UV-Abbau zu verbessern. In Gegenwart von Kupfer kann sich die Geschwindigkeit des oxidativen Abbaus um mehrere hundert Male erhöhen. Folglich müssen Kupferinhibitoren wie Salicylidethylendiamin, Benzoylhydrazid oder Benzotriazol eingearbeitet werden, um dazu beizutragen, Polypropylen vor beschleunigtem Abbau zu schützen.
Anwendungen
Polypropylen bietet hervorragende Verarbeitungseigenschaften, wodurch es sich durch verschiedene Verarbeitungsmethoden zu einer Vielzahl von Produkten herstellen lässt. Spritzgegossene Polypropylen-Produkte sind weit verbreitet, wobei konventionelles Polypropylen hauptsächlich für alltägliche Verbraucheranwendungen eingesetzt wird. Modifiziertes Polypropylen hingegen wird umfassend in Automobil-, Haushaltsgeräte- und Industriekomponenten verwendet. Beispielsweise wird schlagzähmodifiziertes Polypropylen häufig für Stoßstangen und Radabdeckungen eingesetzt, während verstärktes Polypropylen für Armaturenbretter, Lenkräder, Lüfterflügel, Griffe und andere Komponenten geeignet ist.
Extrudierte Polypropylen-Produkte stellen ebenfalls einen bedeutenden Anteil am Polypropylenverbrauch dar, insbesondere Fasern und Filamente. Ihre weite Verbreitung ist auf die hervorragende mechanische Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit und die relativ niedrigen Kosten von Polypropylen zurückzuführen. Zu den Polypropylen-Filament- und Faserprodukten gehören Monofilamente, Flachgarne (Bändchengarne) und Stapelfasern.
Monofilamente zeichnen sich durch geringe Dichte, hohe Zähigkeit und gute Abriebfestigkeit aus, wodurch sie sich für die Herstellung von Seilen, Fischernetzen und ähnlichen Produkten eignen. Flachgarne bieten eine hohe Zugfestigkeit und werden in großem Umfang zur Herstellung von Gewebesäcken für die Verpackung von Düngemitteln, Zement, Getreide und chemischen Rohstoffen verwendet. Sie können auch zu Geweben für Werbematerialien, Planen und verwandte Produkte verarbeitet werden.
Polypropylenfasern werden in großem Umfang bei der Herstellung von Teppichen, Decken, Bekleidung, Kunstrasen, Filtergeweben, Vliesstoffen, Vorhängen und anderen Produkten eingesetzt. Auch die Extrusionsverarbeitung wird häufig zur Herstellung von Polypropylenfolien verwendet. Biaxial orientierte Polypropylenfolien bieten eine verbesserte Festigkeit und Transparenz und eignen sich daher für Anwendungen wie Schreibmaschinenbänder, Zigarettenverpackungen und Lebensmittelverpackungsbeutel.
Weitere extrudierte Polypropylenprodukte umfassen Rohre, Platten, schmale Streifen, Spaltfadengarne und Umreifungsbänder. Hohlkörper aus Polypropylen bieten eine hervorragende Transparenz, mechanische Leistungsfähigkeit und Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften. Daher werden sie in großem Umfang als Verpackungsbehälter für Reinigungsmittel, Kosmetika, Arzneimittel, flüssige Brennstoffe, chemische Reagenzien und andere Produkte verwendet.
Polypropylen ist auch das wichtigste synthetische Harz, das bei der Herstellung von modifizierten Masterbatches verwendet wird. In der frühen Entwicklungsphase dieser Technologie verwendeten Techniker der Beijing Plastics Industry Company ataktisches Polypropylen (APP), ein Nebenprodukt der Produktion von isotaktischem Polypropylen bei Yanshan Petrochemical, zusammen mit Schwerkalziumkarbonat und geeigneten Additiven, um gefüllte modifizierte Masterbatches herzustellen. Diese Masterbatches wurden in Polypropylenprodukte wie Flachgarne und Umreifungsbänder eingearbeitet, um die Bedruckbarkeit zu verbessern, die Produktschrumpfung zu verringern und die Gesamtwirtschaftlichkeit zu steigern.
Dieser Ansatz bot zudem eine effektive Möglichkeit, ein petrochemisches Nebenprodukt zu nutzen. Durch die Identifizierung einer Anwendung für ataktisches Polypropylen trug das Verfahren dazu bei, den Wert dieses ansonsten unzureichend genutzten Materials zu steigern. Mit der fortschreitenden Entwicklung der Produktionstechnologien für Kunstharze stieg jedoch die Isotaktizität von Polypropylen, während die Ausbeute und Qualität von ataktischem Polypropylen allmählich zurückgingen. Da Produktionsvolumen und Anwendungsspektrum von gefüllten modifizierten Masterbatches rasch expandierten, verwendeten immer weniger Hersteller ataktisches Polypropylen weiterhin als Trägerharz.
Heute macht isotaktisches Polypropylen den Großteil der in gefüllten modifizierten Masterbatches verwendeten Trägerharze aus. Pulverförmiges Polypropylen, das durch kleinmaßstäbliche Massepolymerisationsverfahren hergestellt wird, spielt in dieser Anwendung ebenfalls weiterhin eine wichtige Rolle.
